王龍杰

摘 要：自動(dòng)駕駛客車是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個(gè)國家科研實(shí)力和工業(yè)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，在國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。我公司為了把握先機(jī)決定研發(fā)自動(dòng)駕駛客車，文章對(duì)該車多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信技術(shù)（V2X）、智能線控底盤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛客車;多傳感器融合定位技術(shù);車用無線通信技術(shù);智能線控底盤技術(shù)

Abstract： The automatic driving bus is the product of the high development of computer science， pattern recognition and intelligent control technology， and it is also an important symbol to measure the scientific research strength and industrial level of a country. It has a broad application prospect in the field of national defense and national economy. In order to grasp the opportunity， our company decided to develop the self driving bus. In this paper， the key technologies such as multi-sensor fusion positioning technology， vehicle wireless communication technology （V2X） and intelligent wire controlled chassis technology are described in detail.

Keywords： Automatic driving bus; Multi-sensor fusion positioning technology; Vehicle wireless communication tech -nology; Intelligent wire control chassis technology

前言

自動(dòng)駕駛客車是通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行車路線并控制車輛到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的智能客車[1]。自動(dòng)駕駛客車為了實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)駕駛的功能需要完成感知定位、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行等任務(wù)，在其感知定位系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)中至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)是多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信技術(shù)（V2X）及智能線控底盤技術(shù)等，現(xiàn)將其技術(shù)要點(diǎn)分析如下。

1 多傳感器融合定位技術(shù)

1.1 概述

多傳感器信息融合是將不同傳感器對(duì)某一目標(biāo)或環(huán)境特征描述的信息，綜合成統(tǒng)一的特征表達(dá)信息及其處理的過程[2]。具體來講就是協(xié)調(diào)利用多個(gè)傳感器資源實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合，通過對(duì)各種傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則加以組合，產(chǎn)生對(duì)觀測環(huán)境或?qū)ο蟮囊恢滦越忉尯兔枋觥?/p>

1.2 原理

多傳感融合的原理就是得到全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和特征匹配自定位系統(tǒng)等的輸入數(shù)據(jù)。然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合等處理后，精準(zhǔn)的輸出車輛自身的速度、位置和姿態(tài)等信息。

1.3 優(yōu)勢

GNSS應(yīng)用廣泛、適用范圍廣、定位精度高，但其更新頻率過低僅有10Hz左右無法滿足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)定位的要求。INS更新頻率較高，達(dá)到200Hz以上，滿足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的需求;但由于誤差累積的原因，它的準(zhǔn)確度隨時(shí)間和行駛距離的增加而降低，因此也無法完整保證定位的準(zhǔn)確性。通過多傳感器信息融合技術(shù)將GNSS與INS的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以為車輛定位提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的位置信息。

2 車用無線通信技術(shù)（V2X）

2.1 概述

車用無線通信技術(shù)（V2X）[3]是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對(duì)象，當(dāng)前X主要包含車、人、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。V2X交互的信息模式包括：車與車之間、車與路之間、車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（如紅綠燈、交通攝像頭、路側(cè)單元等）之間、車與人之間的交互。

2.2 原理

V2X是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（汽車、智能交通燈等）可以發(fā)射、捕獲并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。利用V2X，車輛可以獲取周圍環(huán)境的未知參數(shù)及附近車輛的運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)包括速度、位置、行駛方向、剎車等基本的安全信息。然后車載端主動(dòng)安全算法將處理所獲取的信息，并按照優(yōu)先級(jí)對(duì)信息進(jìn)行分類，對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)情景進(jìn)行預(yù)警，緊急情況下可以利用車輛執(zhí)行端對(duì)車輛進(jìn)行控制從而規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。V2X技術(shù)開啟了對(duì)四周360°智能感知，這一技術(shù)能夠在各種危險(xiǎn)情況下提醒駕駛者，從而大大減少汽車碰撞事故的發(fā)生并緩解交通擁堵。

2.3 優(yōu)勢

2.3.1 覆蓋面更廣

300～500m的通信范圍相比十幾米的雷達(dá)探測范圍要遠(yuǎn)得多，不僅是前方障礙物、身旁和身后的建筑物、車輛都會(huì)互相連接，大大拓展了駕駛員的視野范圍，駕駛員能獲得的信息更多更立體。

2.3.2 有效避免盲區(qū)

由于所有物體都接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)物體都會(huì)有單獨(dú)的信號(hào)顯示，因此即便是視野受阻通過實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)可以顯示視野范圍內(nèi)看不到的物體狀態(tài)，也就降低了盲區(qū)出現(xiàn)的概率，從而充分避免了因盲區(qū)而導(dǎo)致的潛在危險(xiǎn)。

3 智能線控底盤技術(shù)

智能線控底盤系統(tǒng)就是將駕駛員的操縱意圖經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（或環(huán)境感知得到的操縱指令），通過CAN總線[4]傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的一種系統(tǒng)。智能線控底盤主要包括四大系統(tǒng)（原理如圖1所示）：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)和線控?fù)Q擋系統(tǒng)[5]，現(xiàn)分別闡述如下。

3.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering By Wire ，簡稱SBW）

3.1.1 概述

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接，直接通過電信號(hào)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)來控制汽車轉(zhuǎn)向，主要由轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）3個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。

3.1.2 原理

駕駛員根據(jù)路況轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤（或由CAN發(fā)送的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)指令），轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)角傳感器的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪帶動(dòng)裝有磁體的兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生變化的磁場，通過敏感電機(jī)檢測這種變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角信號(hào)，通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送出到主控制器，主控制器根據(jù)內(nèi)部的程序，計(jì)算出合適的前輪轉(zhuǎn)角并發(fā)送到轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

3.1.3 優(yōu)勢

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了具有一般線控系統(tǒng)安全、輕便、控制精確的優(yōu)點(diǎn)之外，還可以輕易地通過控制程序?qū)崿F(xiàn)變傳動(dòng)比控制甚至理想傳動(dòng)比控制，即提高在低速時(shí)轉(zhuǎn)向的靈敏性和高速時(shí)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，控制汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

3.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)（Brake By Wire，簡稱BBW）

3.2.1 概述

線控制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板、電控單元ECU以及各種傳感器等組成，取消了制動(dòng)踏板和制動(dòng)器之間的液壓（或氣壓）與機(jī)械連接，而是通過傳感器接收制動(dòng)踏板的行程和踏板力，并把信號(hào)傳遞給電控單元，制動(dòng)意圖通過制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角、角加速度等信號(hào)來識(shí)別。

3.2.2 原理

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)（或由CAN總線發(fā)送的剎車指令），輸入桿會(huì)推動(dòng)閥體移動(dòng)，位于下方的踏板行程傳感器會(huì)把踏板行程信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元將踏板行程信息處理之后得到合適的制動(dòng)力矩，并把制動(dòng)信號(hào)傳遞給直流無刷電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將制動(dòng)力矩通過二級(jí)齒輪單元放大后推動(dòng)助力器閥體，最終推動(dòng)制動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

3.2.3 優(yōu)勢

由于取消了制動(dòng)踏板和制動(dòng)器之間的液壓（或氣壓）與機(jī)械連接，大大減少了制動(dòng)器起作用的時(shí)間，提高了制動(dòng)效能，縮短了制動(dòng)距離。由于取消了液壓（或氣壓）控制，不會(huì)有液體（或氣體）泄漏，減少了保養(yǎng)和維修的成本。

采用線控技術(shù)以后剎車響應(yīng)時(shí)間縮短至90ms左右，相對(duì)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)400～600ms、電控液壓系統(tǒng) 120-150ms的反應(yīng)時(shí)間優(yōu)勢非常明顯。

采用了電控制動(dòng)系統(tǒng)（EBS）[6]，該新技術(shù)可以與再生制動(dòng)等電制動(dòng)手段結(jié)合，滿足日常剎車的要求，降低制動(dòng)系統(tǒng)的磨損，同時(shí)也能通過電機(jī)的反向作用、彌補(bǔ)剎車踏板在制動(dòng)能量回收等狀態(tài)下的力度反饋，讓駕駛更為順暢。

3.3 線控油門系統(tǒng)（Throttle By Wire，簡稱TBW）

3.3.1 概述

線控油門也稱電子油門，主要由加速踏板、加速踏板位置傳感器以及電子油門控制單元等組成，加速踏板有地板式和懸掛式兩種形式，結(jié)合加速踏板位置傳感器反映駕駛者的操作意圖，并將信號(hào)傳遞給控制單元。

3.3.2 原理

線控油門系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，駕駛員的操作意圖被加速踏板位置傳感器感知，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（或由CAN總線發(fā)送的目標(biāo)加速度指令），輸送給電子油門控制單元，電子油門控制單元得到這個(gè)信號(hào)后，結(jié)合當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)、車速等信息，通過分析和計(jì)算當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最佳扭矩，經(jīng)過電機(jī)控制器控制輸出電能的電壓、電流幅值或者頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制整車速度、加速度的目的。同時(shí)動(dòng)力電機(jī)上的傳感器將轉(zhuǎn)速等信息反饋給電子控制單元，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，從而達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

3.3.3 優(yōu)勢

線控油門系統(tǒng)除了控制精度高，結(jié)構(gòu)更為簡單之外，可以根據(jù)汽車的工況以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，結(jié)合駕駛員的油門踏板深度（或由CAN總線發(fā)送的目標(biāo)加速度指令），實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的大小，合理控制輸入電能的大小，減少不必要的大油門，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作效率。

3.4 線控?fù)Q擋系統(tǒng)（Shift By Wire，簡稱SBW）

3.4.1 概述

線控?fù)Q擋系統(tǒng)由擋位選擇模塊、電控單元、執(zhí)行模塊、停車控制ECU、停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擋位指示燈等組成。

3.4.2 原理

在該系統(tǒng)中，通過擋位按鍵的傳感器將換擋信號(hào)傳遞給電控單元，電控單元處理信號(hào)后將指令發(fā)送給換擋電機(jī)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)擋、倒擋和空擋的切換。其停車控制ECU會(huì)根據(jù)換擋電控單元發(fā)出的換擋指令，控制停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.4.3 優(yōu)勢

1）消除了傳統(tǒng)機(jī)械部件與變速器聯(lián)動(dòng)的約束，從而提升了設(shè)計(jì)自由度。

2）換擋齒輪的切換由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少了操縱力。

3）結(jié)構(gòu)簡化，減少維護(hù)費(fèi)用，換擋響應(yīng)快，操控靈敏。

4）當(dāng)駐車時(shí)，只需輕觸駐車開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)駐車換擋，操作簡捷省時(shí)。

4 結(jié)論

自動(dòng)駕駛車輛己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。我公司研發(fā)的自動(dòng)駕駛客車中采用的多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信（V2X）技術(shù)及智能線控底盤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在該車試運(yùn)行后經(jīng)測試達(dá)到了L4級(jí)（在特定的條件下不需要駕駛員可以完全完成駕駛?cè)蝿?wù)），我們將總結(jié)經(jīng)驗(yàn)不斷提高，相信在推廣市場后必將會(huì)受到廣大客戶的歡迎。

參考文獻(xiàn)

[1] 360百科.無人駕駛汽車[EB/OL].[2020-01-10].https：// baike.so.com/ doc/6063867-6276926.html.

[2] 王建，徐國艷，陳競凱，等.無人駕駛技術(shù)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019：100.

[3] 中商產(chǎn)業(yè)研究院.2018年中國車用無線通信技術(shù)發(fā)展前景研究報(bào)告[EB/OL].[2018-07-10].http：//www.askci.com/news/chanye/2018 0710/1355491125787.shtml.

[4] 趙立軍，佟欽智，魏平濤等.電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：149-150.

[5] 陳家瑞，張建文，高瑩，等.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019：13-15.

[6] GB 7258-2017，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017：21.